黄土高原南部农田水分条件及其产量效应李开元（中国科学院水利部水土保持研究所·陕西杨陵·７ １２１００）摘要黄土高原南部土层深厚疏松，质地中壤，土壤水分性质优良，作物具有良好的水 分生态环境。对农田水分条件及其产量效应进行了定量评价，结果表明：东部旱塬农田水分亏缺率 和减产率为３０％左右，西部旱塬为１０％左右。同时还对旱作水分产量潜势进行了估算，结果表 明：在目前生产力条件下冬小麦旱作水分产量潜势为５３３０～６３００ｋｇ／ｈｍ￣２，春玉米 为７７００～９０００ｋｇ／ｈｍ￣２。此外，水肥产量效应的研究指出，目前水分亏缺发生频率 为５０％左右，养分为１００％；养分对提高作物产量具有普遍性，不论何种水文年型，增加农田 养分投入均可显著提高作物产量。关键词黄土高原南部，农田水分，产量效应ＦｉｅｌｄＷａｔｅ ｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＥｆｆｅｃｔｏｎＣｒｏｐＹｉｅｌｄｉｎｔｈｅＳｏｕｔｈ ｏｆＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕＬｉＫａｉｙｕａｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｉｌａｎｄＷ ａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓａｎ ｄＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，７１２１００，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓ ｈａａｎｘｉ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｅｓｏｕｔｈｏｆｌｏｅｓｓｐｌａｔｅａｕ，ｓｏｉ ｌｗａｔｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔａｎｄｃｒｏｐｓｈａｖｅａｐｒ ｏｐ－ｅｒｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｗａｔｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏ ｎａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｃｒｏｐｙｉｅｌｄａｒｅａｐｐｒａｉｓｅｄａｎｄｄｒｙｌ ａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｖｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈ ａｔ，ｔｈｅｒａｔｅｏｆｆｉｅｌｄｗａｔｅｒｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓ３０％ｉｎｔｈｅｅ ａｓｔａｎｄ１０％ｉｎｔｈｅｗｅｓｔ；ｉｎｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄ ｕｃｔｉｖｅｆｏｒｃｅｓ，ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｐｒｏｄｕｃ－ｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｄ ｒｙｌａｎｄａｒｅ５３３０～６３３０ｋｇ／ｈｍ￣２ａｎｄ７７００～９０００ｋｇ／ｈｍ￣ ２ｆｏｒｗｈｅａｔａｎｄｃｏｒｎｒｅｓｐｅｃ－ｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｏｅｓｓ ｐｌａｔｅａｕ；ｆｉｅｌｄｗａｔｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｙｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔ长武王东 沟试区位于黄土高原南部，属暖温带半湿润大陆季风气候。年平均气温９．１℃，年平均降水量５ ８７．４ｍｍ，≥１０℃活动积温３０２９℃，无霜期１７１天。土壤属粘黑垆土地带，母质为深 厚的中壤质马兰黄土。田间持水量为２１．１％。凋萎湿度为８．８％；２ｍ土层有效水贮存容量 达３３２ｍｍ，相当于年降水量的５７％和作物耗水量的７４％，深厚、疏松、壤质的土层和较高 的有效水贮存容量为作物提供了良好的生态环境，同时对大气干旱对作物所造成的威胁能起到有效 的缓解作用。正是由于土壤的这些优良的水分物理性质，才使得该地区旱作农业得以长期维系和发 展。土壤水分一直是黄土高原南部旱作农业研究的重点。对于“水分和养分哪一因子是限制旱作产 量提高的首要因子”的争议，即所谓“水肥之争”，从８０年代初期一直持续至今；水肥藕合效应 的研究也日趋活跃。“七五”期间我们曾对作物水一肥一产量关系和旱作水分产量潜势进行了系统 研究￣［１］，指出在目前生产力水平条件下限制作物产量提高的首要因子是养分不足而不是水分 亏缺，并根据田间试验得出了长武试区的旱作水分产量潜势。“八五”期间，在“七五”的基础上 将研究进一步深化，在机理研究方面由过去的定性进入到定量研究阶段，在研究区域范围上由过去 的长武王东沟试区扩展到黄土高原南部。本文就农田水分条件及其产量效应与旱作水分产量潜势的 定量评价，水分和养分发生亏缺的频率，不同水文年型的水肥产量效应等作一评述。１农田水分条 件及其产量效应的定量评价目前在黄土高原南部，限制作物产量提高的首要因子是养分供应不足， 而不是农田水分亏缺，这意味着农田水分尚未得到充分利用，农田水分仍有一定增产潜力。那么， 农田水分究竟还有多大增产潜力？这就需要对农田水分条件及其产量效应进行定量评价。以往对农 田水分条件的评价多属定性评价，而且多数没有和作物水分需求结合起来，所以有很大的局限性。 譬如，单从降水量或干燥度都不能完全反映农田水分条件，因为它们没有和作物水分需求发生联系 。本文采用文献￣［２］中提出的农田水分满足率或农田水分亏缺率与产量减低率指标，对黄土高 原南部８个有典型代表性县的农田水分条件及其产量效应进行了定量评价。结果表明：（表１）西 部旱塬农田水分条件较好，冬小麦和春玉米的农田水分满足率分别为８４％～１００％和８０％～ ９３％，农田水分亏缺率分别为０％～１６％和７％～２０％，由于水分亏缺所引起的产量减低率 分别为０％～１１％和６％～１８％；而东部旱源农田水分条件相对较差，冬小麦和春玉米的农田 水分满足率分别为６８％和６６％，农田水分亏缺率分别高达３２％和３４％，由于水分亏缺所造 成的产量减低率分别达２２％和３１％。由此可见，东部旱塬有较大的灌溉增产潜力，水资源的分 配利用和发展灌区应首先考虑这一地区。２农田水分和养分发生亏缺的频率￣［３］以上对农田水 分条件及其产量效应进行了定量评价，评价结果是针对常态水文年型而言，具体到某一个水文年份 ，农田有可能表现为水分亏缺，也有可能表现为养分亏缺，或两者俱缺，虽然难以确切预知哪一因 素发生亏缺，但可以预知每一因素发生亏缺的频率，这一频率值可以作为衡量农田水分和养分亏缺 发生概率的区域特征值。衡量水肥亏缺须以产量差异的统计检验为标准。试验年限为１９８５年至 １９９２年，由表２可知试验年份的作物生育期降水量和年降水量的平均值与多年的平均值非常接 近；因此，１９８５年至１９９２年的试验结果可视为该地区的区域特征值。表３是水肥双因子试 验产量差异的Ｆ值检验，从表中可以看出，冬小麦在７年的试验中，水因素有３年达到了显著或极 显著水平，说明７年中有３个年份存在水分亏缺，水分亏缺发生的频率为４３％，也就是说４３％ 的年份存在水分亏缺；肥因素７年全部达到了极显著水平，说明肥料发生亏缺的频率为１００％， 也即１００％的年份存在肥料亏缺。春玉米７年的试验中，水因素有４年达到了极显著水平，肥因 素７年全部达到了极显著水平；说明水因素发生亏缺的频率为５７％，肥因素为１００％，亦即５ ７％的年份存在水分亏缺，１００％的年份存在肥料亏缺。综上所述，黄土高原南部５０％左右的 年份存在水分亏缺，１００％的年份存在肥料亏缺。由此说明，肥因素对提高作物产量具有普遍性 ，即不论何种水文年型，增加农田养分投入均可引起作物产量的显著提高；而水因素只有在干旱年 型增加灌水才可引起产量的显著提高。３不同水文年型作物水肥产量效应￣［４］关于作物水肥产 量效应的基本关系在“七五”期间曾作过深入研究，这里我们只讨论在干湿不同的水文年型里作物 水肥产量效应。３．１不同水文年型、不同肥力条件下的水分─产量效应由表４看出，在湿润年份 ，冬小麦水分处理间产量差异在各种肥力条件下均未达到统计检验显著水平，春玉米在高肥和低肥 条件下未达显著水平，而在中肥条件下，灌水处理达显著水平。１９９０年降水偏多，１９９１年 的冬小麦土壤底墒高于常年１１．１％（生育期降水量接近常年）。所以，１９９０年和１９９１ 年分别属春玉米和冬小麦的偏湿润年份。可见冬小麦在偏湿年份不存在水分亏缺而春玉米仍有亏缺 ，这也是春玉米的水分亏缺频率高于冬小表的原因所在。但是在偏湿润年份，只有在适当的肥力条 件下，春玉米的灌水效益才能发挥，肥力过高或过低灌水效益均不能发挥，其原因是肥力过低，自 然水分本身可以完全满足作物生长要求，肥力过高再灌水，易使水肥过量，造成作物旺长。干旱年 份，两种作物水分处理间产量差异在各种肥力条件下均达显著或极显著水平，说明在干旱环境下， 水分─产量效应无论在何种肥力水平上均为正效应。３．２不同水文年型、不同水分条件下的养分 ─产量效应由表５分析可知，肥料处理间产量差异在不同水文年型下均达极显著水平，但是在同一 年型，不同水分条件下的肥料─产量效应表现如何呢？由表５可知，无论在干旱年型还是湿润年型 ，在每种水分条件下，至少有一对肥料处理的产量差异达到显著或极显著水平。由此说明，增加农 田养分投入，不仅在任何水文型条件下，而且在同一水文年型任何水分条件下均能显著提高作物产 量，这更进一步说明了肥因素对提高作物产量具有普遍性，一定程度上肥料具有水分所不可替代的 作用。４旱作水分产量潜势估算“七五”期间我们根据多年田间试验结果得出了长武的旱作水分产 量潜势，但是用长武的试验结果来代替黄土高原南部区域具有很大的局限性。因此在“八五”期间 我们着重于建立旱作水分产量潜势计算模型￣［５］。本文运用文献￣［５］所提出的模型。对黄 土高原南部不同地区的８个典型代表县的光温产量潜势和旱作水分产量潜势进行了估算。由表６可 知，光温产量潜势（Ｙｍ）分为两个台阶：第１个台阶为西部地区，冬小麦为５６００～６６００ ｋｇ／ｈｍ￣２，春玉米为８８００～１０２００ｋｇ／ｈｍ￣２。第２个台阶为东部地区，冬小 麦在７５００ｋｇ／ｈｍ￣２以上，春天米在１１７００ｋｇ／ｈｍ￣２以上。黄土高原南部光温 产量潜势这一明显的两个台阶充分反映了黄土高原南部光热资源的分布特征。但是，由表６可知， 旱作水分产量潜势在东、西部并不存在大的区域分异性，东西部地区处于同一个产量台阶，冬小麦为５３３０～６３００ｋｇ／ｈｍ￣２，春玉米为７７００～９０００ｋｇ／ｈｍ￣２。旱作水分产量潜势是光温产量潜势经过水分订正后的产量，它不仅与光热资源特征有关而且和水分条件有关。东部地区光温产量潜势比西部地区高一个台阶，但二者的旱作水分产量潜势处于同一台阶，这说
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